爆炸載荷下艙板與加強筋抗爆性能分析

梅宗書，石成英，蔡星會，王　爭

(第二炮兵工程大學，西安　710025)

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爆炸載荷下艙板與加強筋抗爆性能分析

梅宗書，石成英，蔡星會，王爭

(第二炮兵工程大學，西安710025)

摘要：以救生艙殼體的抗爆性能為研究對象，通過控制變量法，分別研究了殼體中艙板與加強筋兩部分的抗爆性能。通過有限元分析軟件LS-DYNA，對艙板厚度一定，加強筋厚度不同和加強筋厚度一定，艙板厚度不同兩種組合進行數值仿真計算，得出了整體救生艙殼體的塑性變形與艙板和加強筋厚度之間的關系曲線。研究結論表明：在一定載荷范圍內，加強筋在厚度與整體殼體塑性變形上成雙段線性曲線規律；艙板在厚度與整體殼體塑性變形上成拋物線曲線規律。研究成果為救生艙艙板與加強筋厚度設計提供有益借鑒。

關鍵詞：沖擊；LS-DYNA；艙板；加強筋；塑性變形

本文引用格式：梅宗書，石成英，蔡星會，等.爆炸載荷下艙板與加強筋抗爆性能分析[J].兵器裝備工程學報，2016(1):55-58.

Citation format:MEI Zong-shu, SHI Cheng-ying, CAI Xing-hui, et al.Antiknock Performance Analysis of Tank Plate and Stiffener Under Explosion Loading[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):55-58.

作為煤礦、軍事等領域的人員防護裝備，救生艙的抗爆性能是研究設計其需要考慮的最重要的性能之一。救生艙根據功能有諸多分類，但在殼體結構上大體相同，均為在救生艙艙板上焊接加強筋。以往在救生艙艙板和加強筋研究領域中，大多數為對復合材料加強筋的抗爆性能和不同材質、夾層結構的艙板抗爆性能的研究[1.2]。我國學者丁曉紅、李國杰等通過對自然界分支系統形態的最優性研究[3]，提出一種能使加強筋沿結構整體剛度最大方向生長的自適應成長法。但是將艙壁與加強筋放在一起，對其在厚度維度上的抗爆性能進行研究分析，公開文獻還比較少。

目前，在救生艙的抗爆性能研究方面，對于艙板和加強筋厚度的設計，通常做法是艙板厚度由材質和抗爆性能指標確定，加強筋厚度參照相關行業標準，一般不考慮艙板厚度與加強筋尺寸方面的相互聯系。本研究則分別探究兩者厚度與救生艙殼體抗爆性能之間的關系，從而為艙板與加強筋厚度的確定提供依據。

本研究通過有限元分析軟件LS-DYNA，對艙板厚度一定，加強筋厚度不同和加強筋厚度一定，艙板厚度不同兩種組合下，救生艙殼體的最大塑性變形進行研究，得到相關線性曲線，為艙板與加強筋的厚度設計提供有益參考。

1模型與參數設置

本研究對救生艙殼體進行建模，殼體由高強度鋼質大板和內附加強筋組成，艙板與加強筋材質相同，材料模型采用塑性隨動模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，單位制為cm-g-us，參數設置如表1所示。

表1　參數設置

模型采用Shell163薄殼單元，加強筋截面形狀設計為半圓形[4]，圓面半徑為6 cm，通過在*SECTION_SHELL中輸入厚度參數設置加強筋與艙板厚度。由關鍵字*LOSD_BLAST施加爆炸載荷，爆炸點設置在相對艙板對稱的位置，沖擊載荷大小為0.8 MPa，模型尺寸如圖1所示。

圖1　艙板示意圖

艙板在某一時刻的應力云圖如圖2所示。

圖2　艙板應力原圖

由圖2可知，在救生艙殼體的中間位置，加強筋承受的應力值最大，塑性變形也最為嚴重，為研究殼體最大形變量，本研究選取艙板中心位置的節點進行殼體法線方向的位移取樣[5]，并進行數據分析。

本研究采用控制變量法，將實驗工況分為兩組，具體參數設置如表2所示。通過對表2中兩種組合進行計算，得到艙板與加強筋各自的抗爆性能。

表2　實驗工況參數

2結果分析

通過計算，并在后處理器LS-PREPOST中選取艙板中心位置節點為研究對象，輸出兩種組合下該節點隨時間的位移變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，沖擊載荷作用下，在艙板的動力響應初始階段，不同厚度的艙板與加強筋，救生艙殼體在法線方向的變形同步性較好。通過比較曲線最低點對應形變值可知，組合2比組合1在變形幅度上要小；又由曲線之間的疏密程度可知，在增加相同厚度時，組合2比組合1應變值增加輻度大。隨著曲線波動區域平緩，最后圍繞一條中心線上下波動，如圖4所示。

圖3　艙板中心節點初始位移時程曲線

圖4　艙板中心點完整位移時程曲線

由圖4中曲線的變化規律可以預測，假定時間足夠長，則所有曲線都將趨于一條縱坐標不等的水平線，稱該水平線為塑性變形線[6]，如圖5所示。本研究以塑性變形線所對應的縱坐標大小作為救生艙殼體抗爆性能的指標，將計算出的中心節點位移的平均值作為殼體塑性變形量的大小。

圖5　加強筋為1.4 cm時變形曲線

根據理論推導可知，變形曲線中的直線即為艙體最大塑性變形曲線，縱坐標值即為塑性變形值——即撓度的大小，不同厚度下，艙板最大撓度值如圖6所示。

圖6　艙體塑性變形隨結構厚度的變化曲線

由圖6可知，在厚度越大，艙板塑性變形量越小的同時，厚度與塑性變形并不滿足一階線性關系。兩條曲線中組合1中的曲線可看成分段雙直線，組合2表現為拋物線的左支。進一步計算每一段的斜率可得表3所示的參數。

由表3可知，加強筋在厚度遞增時，救生艙殼體撓度呈現分段式遞減規律，即對于加強筋而言其抗爆性能呈現分段式遞減規律，而對于艙板而言，當厚度增加到一定厚度時，繼續增加其厚度，對抗爆性能的提高效果并不明顯。同時，從1.7 cm厚度開始組合2中的斜率下降幅度較大，基本和組合1中的斜率在一個區間，因此，此時通過增加加強筋厚度來提高救生艙殼體的抗爆性能是比較合適的。依據本文中的模型與材料設置，本文中艙板與加強筋的最佳的厚度組合為1.6+1.5 cm。

表3　分段斜率參數

3結論

本研究通過分別對救生艙殼體中的艙體大板和加強筋的抗爆性能進行模擬實驗和數據分析，以曲線圖的方式給出了加強筋和艙板在抗爆性能上的不同。

當艙板厚度達到一定值時，繼續增加其厚度并不能較有效地提高救生艙的抗爆性能，同時，增加艙板厚度會大幅增加艙體的總重和制造成本，此時因結合救生艙抗爆性能指標，選擇艙板與加強筋的塑性應變與厚度之比較大時各自對應的厚度，這樣才能最大程度縮減材料整體厚度和自重，有效節約生產成本。

參考文獻：

[1]項晨,陳浩然,郭兆璞.復合材料加筋結構的流固耦合振動及動力響應分析[J].復合材料學報,1996,13(3):100-110.

[2]肖鋒,諶勇,章振華,等.夾層結構沖擊動力學研究綜述[J].振動與沖擊,2013,32(18):1-7.

[3]丁曉紅,李國杰,蔡戈堅,等.薄板結構的加強筋自適應成長設計法[J].中國機械工程,2005,16(12):1057-1060.

[4]平玉城,金龍哲,栗婧,等.不同加強筋對救生艙艙體抗爆性能影響的研究[J].煤,2014,23(10):4-7.

[5]MAIN J A,GAZONAS G A.Uniaxial crushing of sandwich plates under air blast:Influence of mass distribution[J].International Journal of Solids and Structures,2008,45(7/8):2297-2321.

[6]張旭紅,王志華,趙隆茂.爆炸載荷作用下鋁蜂窩夾芯板的動力響應[J].爆炸與沖擊,2009,29(4):356-360.

(責任編輯周江川)

石成英(1964—)，男，教授，博士生導師，主要從事戰斗部工程研究。

【裝備理論與裝備技術】

Antiknock Performance Analysis of Tank Plate and Stiffener

Under Explosion Loading

MEI Zong-shu, SHI Cheng-ying, CAI Xing-hui, WANG Zheng

(The Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025, China)

Abstract:With the capsule shell antiknock performance as the research object, two parts of the capsule shell, plate and stiffener, whose antiknock performance were researched through the control variable method. Through finite element analysis software LS-DYAN, two kinds of operating condition, that the thickness of the stiffener is different with a certain thickness of plate and that the thickness of the plate is different with a certain thickness of stiffener, were under numerical simulation calculation, which discovered the relationship between the plastic deformation of the whole capsule shell and the thickness of the plate and the stiffener. The result show that, within a certain range of load, the plastic deformation of the overall shell and the thickness of stiffener forms into double linear curve law; the plastic deformation of the overall shell and the thickness of plate forms into a parabolic curve. This research provides beneficial reference for the thickness design of capsule plate and stiffener.

Key words:impact; LS-DYNA; deck stiffener; plastic deformation

文章編號：1006-0707(2016)01-0055-04

中圖分類號：TD774

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.013

作者簡介：梅宗書(1991—)，男，碩士研究生，主要從事兵器科學與技術研究；

收稿日期：2015-06-03；修回日期：2015-06-25